透平机械结构和强度计算第1章.ppt

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1、孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,透平机械结构和强度计算,1 考试课2 参考书：透平零件结构和强度计算 吴厚钰 汽轮机原理 康松 等 透平压缩机强度与振动 刘士学 机械工程手册第72篇 机械工业出版社 材料力学 理论力学 其它力学资料、振动方面资料,能源与动力学院 叶轮机械与流体工程研究所 孙涛综合实验2#楼 315 84707902,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11 叶片结构,从强度观点考虑，动叶片的结构分：叶片型线部分，叶根部分和叶顶部分 1.1.1 叶型部分 1、符合气体动力学的要求，满足结构强度和加工方面要求2、叶型分等截面和变截面叶型3、一般 Dm

2、/l 10的级 等截面叶型4、一般 Dm/l 10的级 变截面叶型 改善流动和减少离心力 Dm-级的平均直径 l-叶片高度,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11 叶片结构,1.1.2 叶根部分1、作用：叶根是将叶片固定在叶轮或转鼓上的联结部分2、要求：叶根与轮缘的固定应该是牢靠的，在任何运行条 件下保证叶片在转子中位置不变；叶根应尽量做到结构简单，制造方便；使轮缘的轴向尺寸最小，以缩短整个通流部分的轴向长度。3、型式：叶根的结构型式取决于强度、制造和安装工艺条 件以及转子的结构型式4、常用的结构型式有：T形、叉形、枞树形

3、，菌形等。,(2),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11 叶片结构,1.1.2 叶 根 部 分,(3),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11 叶片结构,1.1.2 叶 根 部 分,(3),叶根,叶根,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11 叶片结构,1.1.2 叶根部分6、T型叶根 优点：结构简单，加工装配方便，工作可靠，短叶片中普遍采用 缺点：叶片离心力对轮缘两侧 产生弯矩，使轮缘有张 开的趋势，容易引起较 大的弯曲应力。,(4),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11

4、 叶片结构,1.1.2 叶根部分6、T型叶根 改进：叶片长度加大的情况下，在T型叶根的两侧 往往加铣两个凸肩将轮缘两侧包住，以减少它的 弯曲应力；当叶片增长，离心力加大的情况下，为了加大叶根的受力面积，还可以采用带凸肩 的双T型叶根。可以用于中长叶片。,(5),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11 叶片结构,1.1.2 叶根部分6、T型叶根 装配：圆周向装配式。在固定叶根的轮缘槽中有一个或两个窗口，其长度比叶片结距略大，宽度比叶根宽 0.020.05毫米，以便将叶片依次装入轮槽中。在窗口位置的叶片为封口叶片（又称末叶片），封口叶片用铆钉固定在轮缘上。,(6),孙

5、 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11 叶片结构,1.1.2 叶根部分6、T型叶根 装配缺点：周向装配式叶根的共同缺点是当叶片损坏时，拆换必须通过窗口进行，因而必然牵动许多完好叶片，增加装拆工作量。,(7),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11 叶片结构,1.1.2 叶根部分 7、叉型叶根 优点：加工比较简单，拆换叶片方便；避免了T型叶根使轮缘两侧张开引起的弯应力，而且强度适应性好，随着叶片离心力的增大，叶根叉数可以增多。缺点：装配时钻铆孔不方便，比较费工。整锻转子和焊接转子 一般不采用叉型叶根。,(8),孙 涛 叶轮机械及流体工程研

6、究所,第一章 叶片的结构和强度计算11 叶片结构,1.1.2 叶根部分 8、枞树型叶根 广泛地应用于燃气轮机的透平叶片上，大功率蒸汽轮机的长叶片上。优点：枞树型叶根由轴向装入单独的叶根槽中，所以拆装方便；由于叶根采用尖劈形，所以叶根和对应的轮缘承载截面都接近等强度。在同样的尺寸下，承载能力最高。在叶根和叶轮槽中，齿的非承载面一边有间隙，燃气轮机可以利用此间隙进行空气冷却；同时，松动配合的叶片可以自动定心；间隙的存在，允许轮缘和叶根在受热后能自由膨胀以减少热应力。,(9),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强

7、度计算 11 叶片结构,1.1.2 叶根部分 8、枞树型叶根 缺点：外形复杂，装配面多，为了保证各对齿接触良好，所以加工精度要求高，工艺复杂；由于齿数多，并受到叶根尺寸的限制，所以过渡圆角不易做大，引起比较高的应力集中。,(10),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,楔形角：角大时，承力面增大，轮盘强度不利 3040度,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算11 叶片结构,1.1.3 叶顶部分 叶片组：叶片用围带、拉金联在一起后称为叶片组 单个叶片或自由叶片：叶片不用围带、拉金联结 汽轮机叶片通常用围带、拉金联结成叶片组，只有末几级长叶片

8、有时做成自由叶片。而燃气轮机叶片则较少联成叶片组,(11),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算11 叶片结构,1.1.3 叶顶部分 围带的作用：防止漏汽和调整叶片频率；提高级效率和降低叶片动应力拉金的作用：调整叶片频率和减振，使叶片成组而降低动应力。,(12),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算11 叶片结构,1.1.3 叶顶部分,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11 叶片结构,1.1.3 叶顶部分 围带通常为35毫米厚的扁平金属带，用铆接的方法固定在叶片顶部。还有一种整体围带，即围带和叶片叶型作成一个整体

9、。根据振动方面的要求，围带之间可以焊接，也可以不焊接。整体围带一般用于短叶片。拉金一般是612毫米的金属丝或金属管，穿过叶片中间的拉金孔，用银焊焊牢的称为焊接拉金；当拉金穿过叶片不焊牢，而且与拉金孔有约0.5毫米的间隙，称为松装拉金，它主要的作用是造成附加振动阻尼以减少振动应力。,(13),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 11 叶片结构,1.1.3 叶顶部分 围带和焊接拉金都能减小叶片中气流产生的弯应力和提高叶片振动的安全性。围带还可以在叶顶构成封闭的流道，限制气流从叶顶泄漏以及作为汽轮机通流部

10、分的径向汽封和轴向汽封减少漏汽损失。燃气轮机由于温度高，为了避免热应力而很少采用带状围带。另外，由于拉金在气流通道中引起附加损失，所以通流部分要求高效率的燃气轮机也很少采用拉金结构。,(14),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算,1.2.1 叶片受力分析 1)透平高速旋转时叶片自身质量和围带、拉金质量产生的离心力；2)气流流过叶片产生的气流作用力。3)叶片受热不均匀会引起热应力 离心力引起的应力：1）离心力在叶片中产生拉应力；2）离心力作用线不通过计算截面的形心时，由于偏心拉伸

11、还会产生弯应力。3）离心力也可能在叶片中引起扭转应力。4）热应力,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算,1.2.2 叶片离心拉应力计算 选择计算工况：离心力与转速平方成正比，所以 变转速透平应以最高转速计算离心力。1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算 等截面叶片沿叶高各个截面所受的离心拉应力并不相同，它是由叶顶向底部逐渐增大。底部截面承受了整个型线部分的离心力，所以离心拉应力最大。,(2),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算,1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算整个型线部分质量的离心力

12、：（1-1）式中 C-叶片离心力（N）-叶片材料密度（kg/m3）F-叶片的横截面积（m2）l-叶片型线部分高度（m）-旋转角速度（rad/s）=(2n)/60，n-转速（min-1）Rm叶片平均半径（m）,(3),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算,1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算等截面叶片底部截面的拉应力是（1-2）结论：拉应力正比于透平转速的平方、叶片高度、材料密度和平均半径，而与叶片的截面积无关，也就是说，增大叶片截面积并不能降低等截面叶片的拉应力.等截面叶片沿叶高各个截面所受的离心拉应力并不相同，它是由叶顶向底部逐渐增大。底部截

13、面承受了整个型线部分的离心力，所以离心拉应力最大。,(3),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算,1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算 围带和拉金的离心力是式中 Fs、Fl-围带和拉金的横截面积；ts、tl-围带和拉金的节距；Rs、Rl-围带和拉金重心的半径。作用在叶片型线底部的离心力和拉应力之和为,(3),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,等截面叶片离心拉力,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,1.2.2.2 变截面叶片离心拉应力计算,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算,1.2.2.2 变截面叶片

14、离心拉应力计算,(2),叶片微段离心力,叶片x截面以上部分离心力,叶片根截面以上部分离心力,叶片根截面以上部分离心拉应力,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算,1.2.2.2 变截面叶片离心拉应力计算,(2),变截面叶片离心拉应力计算需要知道密度，转速，叶型截面积随半径的变化规律。,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算拉应力,在进行强度计算时，已经知道相应的型线面积变化规律，它往往难于用解析式表达和进行积分。根据面积沿叶高的变化曲线，可以采用数值积分近似地算出各截面的拉伸应力。将叶片沿叶高等分为若干段（

15、通常为510段），每段的长度为x，用j表示段号，用 i 表示截面号，此时任意一段的离心力为：,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-拉应力,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,其中Sj可近似等于；而比较准确地计算时，Sj为梯形重心至下底的距离，它等于,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,周向分力Pu,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,轴向分力Pa 喷嘴调节的汽轮机的调节级，危险工况是当第一个调节阀全开时的工况，此时该级

16、焓降最大，而部分进气度最小。,1z,2z,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,作用在叶片上的气流力是圆周向分力Pu和轴向分力Pa的合力 叶片上的气流力是分布载荷气流压力和速度沿叶高变化不大时，可以认为气流力均匀分布。,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,叶片可以当作一端固定，承受分布载荷的悬臂梁来研究。离叶片底部截面为x处的截面上的弯矩为：底部截面弯矩最大，其值为：,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应

17、力,I-叶片截面的最大/最小主惯性距W-叶片出气边或进气边对最大/小主惯性轴的截面系数,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,(1),2,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,M1和M2在叶片底部截面出气边,进气边和背部产生的弯应力分别为：,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,(1),孙 涛 叶

18、轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 12 叶片强度计算-气流产生的弯应力,将以上求得的数值代入到相关的公式中以后，就可以得到叶型几何特征的全部

19、数据。为了得到比较精确的结果，段数必须分得多.,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,汽轮机强度离心力引起的弯曲应力（1）,离心力在叶片任一截面中产生拉伸的弯曲应力，是由于该截面以上叶片部分的重心和旋转中心的联线不通过该截面的形心，离心力对该截面的作用是偏心拉伸。在变截面叶片中，沿叶高方向截面积，进出口角，安装角是变化的。因此各截面的形心连线通常是一条空间曲线。不可能使这条空间曲线的所有点都与离心力的辐射线相重合。因此必然在叶片截面中产生离心弯应力。而且这个离心弯应力可能达到很大的数值，特别是在比较长的变截面叶片中。,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,汽轮机强度离心力引起的弯曲应力（2）,

20、a-a截面的形心为C点，a-a截面以上叶片部分的重心位置为G，则G与旋转中心S的联线GS为离心力的辐射线，它通过a-a截面时的交点为E点，即离心力在截面上的作用点为E点，但E点与C点不重合，形成了偏心拉伸，离心力引起的弯矩使背部受压，进出气边受拉，它的方向与气流力引起的弯曲应力一致，这样就使总的弯曲应力增加。,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,汽轮机强度离心力引起的弯曲应力（3）,如果使叶片在反旋转的防线平行转移一段距离，使离心力的作用点E移到C点的另一侧，那么它所引起的弯矩刚好使背部受拉，进出气边受压，抵消气流力引起的弯曲应力。叶片合适的安装位置可以通过计算确定，它的主要内容是计算在各种安装

21、位置时，离心力所引起的附加弯曲力，然后确定最佳的安装位置。,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,汽轮机强度作业（2）,计算各截面截面系数及叶根处离心力，汽流力引起的拉应力和弯应力。流量：20kg/s；c1u=340m/s;c2u=-15m/s;c1a=75m/s;c2a=88m/s;前后压差=6000N/m2叶片数：z=146;节圆直径1250mm;节距部分进汽度：1；叶片长：50cm，宽25mm,自定义叶型转速3000r/min。,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,叶根的强度计算,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算13叶根的强度计算

22、,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算,叶根受到的拉弯合成应力为叶根受到的剪切应力为叶根受到的挤压应力为,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 14 T形叶根轮缘的强度计算-拉应力,(1),在轮缘IIII截面中承受离心力产生的拉应力和偏心载荷P产生的弯曲应力。由于轮缘是圆环形，它本身的离心力不仅在IIII截面引起径向应力，还会引起径向截面上引起的圆周向应力。计算时可以近似地认为2/3的离心力引起径向引力，这样IIII截面上的拉应力,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 14 T形叶根轮缘的强度计算-弯应力,(1),偏心载荷P使轮缘向两侧张开，在IIII截面造成弯应力。P力是两项之和：,一个节距长的轮缘的截面系数,孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 14 T形叶根轮缘的强度计算-拉弯应力,(1),孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所,第一章 叶片的结构和强度计算 14 T形叶根轮缘的强度计算-剪切应力,(1),